Xây dựng bộ điều khiển mờ cho Robot bám đường

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Xây dựng bộ điều khiển mờ cho Robot bám đường

A Fuzzy controller design for following line robot

TS. Hoàng Quang Chính, KS. Nguyễn Đức Lành, KS. Nguyễn Công Khoa

Học viện Kỹ thuật Quân sự

e-Mail: [email protected]

ThS. Nguyễn Thành Sơn

Viện kỹ thuật Cơ giới Quân sự - TCKT

e-Mail: [email protected]

Tóm tắt Trong bài báo này trình bày phân tích luật và xây

dựng bộ điều khiển cho robot bám đường dựa trên lý

thuyết điều khiển mờ. Để chứng minh tính đúng đắn

của thuật toán, các tác giả đã xây dựng mô hình robot

và và thực hiện thuật toán khiển trên mờ trên vi điền

khiển Atmel ATMega16 cho mô hình robot.

Abstract: In this article presents analysis and design the

following line algorithm for robot based on fuzzy

control theory. To prove the correctness of the

algorithm, the authors have built robot model and

implement the fuzzy control algorithm on the Atmel

ATmega16 microcontroller for robot model.

Chữ viết tắt DT: Đi thẳng.

HST: Hơi sang trái.

HSP: Hơi sang phải.

MST: Mạnh sang trái.

MSP: Mạnh sang phải.

X: Không xác định.

KC Khoảng cách.

ADC : Analog to Digital Converter.

1. Đặt vấn đề Loại robot mà việc di động theo một quĩ đạo định sẵn

được gọi là Robot bám đường. Robot bám đường có

thể di chuyển theo một đường, đường đi có thể là có

thể được nhìn nhận như một dòng màu đen trên một

bề mặt trắng (hoặc ngược lại) hoặc nó có thể là đường

vô hình như một từ trường.

Trong các dây truyền sản xuất tự động, những robot

di chuyển theo một quĩ đạo lặp lại để thực hiện một số

nhiệm trong hệ thống tự động được ứng dụng ngày

càng rộng rãi. Ngoài ra, ngày nay trên những xe ô tô

hiện đại, thường được các hãng phát triển hệ thống lái

lái tự động. Bài toán đi theo quĩ đạo cũng được áp

dụng rộng rãi trong các cuộc thi ROBOCON dành cho

các sinh viên các trường Cao đẳng, Đại học kỹ thuật.

Vấn đề bài toán điều khiển robot di chuyển theo quĩ

đạo đã được rất nhiều nhà khoa học quan tâm, từ việc

mã hóa thông tin về đường đi dưới dạng số bằng việc

bố trí hàng loạt cảm biến thu phát quang đến ứng

dụng kỹ thuật xử lý ảnh. Trong bài báo này các tác giả

trình bày việc xây dựng bộ điều khiển bám đường cho

robot trên cơ sở ứng dụng lý thuyết điều khiển mờ.

Ngày nay lý thuyết logic mờ nói chung hay điều khiển

mờ nói riêng được áp dụng rộng rãi trong các thiết bị

công nghiệp cũng như những thiết bị dân dụng. Một

trong lý do chính của việc phát triển và ứng dụng rộng

rãi của logic mờ chính là việc thực hiện thuật toán mờ

tương đối dễ dàng và các công cụ tính toán đáp ứng

được những yêu cầu đó.

2. Xây dựng bộ điều khiển mờ cho robot

bám đường Sơ đồ khối của hệ điều khiển mờ robot bám đường

được biểu diễn trên hình 1. Các cảm biến hồng ngoại

trái phải sẽ cho bộ điều khiển biết thông tin về vị trí

của robot hiện tại dựa vào mức độ phản xạ tín hiệu

hồng ngoại. Dựa vào những thông tin trên, một luật

điều khiển mờ trong bộ điều khiển được thực hiện và

đưa ra các tín hiệu điều khiển thích hợp cho các động

cơ trái và phải sao cho quá trình di chuyển của robot

bám theo đường mong muốn cho trước. Để xây dựng

được luật điều khiển mờ chúng ta tiến hành các bước

sau :

Bước 1: Mờ hóa các thông tin đầu vào

Trong trường hợp này chọn đường đi là vạch đen và

nền trắng. Dự vào đặc điểm của cảm biến quang phần

phát của cảm biến thường phát ra một chùm sáng,

chính vì vậy nó sẽ chiếu lên một diện tích nhất định

trên bề mặt đường và điều này dẫn đến ánh sáng sẽ

phản xạ tới phần thu với mức độ khác nhau tùy thuộc

vào độ phản xạ của mặt đường. Chính vì vậy mà ta

tiến hành chia thành các vùng làm việc của cảm biến

như biểu diễn trên hình 2. Ở đây ta lấy tâm đường làm

chuẩn, và từ điểm chuẩn này chúng ta chia thành 3

vùng làm việc của cảm biến như sau:

+ Vùng 1: Là vùng phần phát của cảm biến phát ra

chùm ánh sáng tới bề mặt đường hoàn toàn là màu

đen. Ta gọi vùng này là vùng đen.

+ Vùng 2: Là vùng phần phát của cảm biến phát ra

chùm ánh sáng tới bề mặt đường có lẫn cả màu đen và

màu trắng (vùng gần với đường ngăn cách giữa màu

đen và màu trắng), lượng ánh sáng thu được trên phần

này của cảm biến trên vùng này tương đương với

lượng ánh sáng thu được trên phần thu của cảm biến

khi phần phát của cảm biến phát chùm sáng tới bề mặt

đường hoàn toàn màu xám. Ta gọi vùng này là vùng

xám.

245

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

+ Vùng 3: Là vùng phần phát của cảm biến phát ra

chùm ánh sáng tới bề mặt đường hoàn toàn là màu

trắng. Ta gọi vùng này là vùng trắng.

Hình 1. Sơ đồ khối hệ điều khiển mờ robot bám đường

NÒn

tr¾ng

NÒn

tr¾ng

Tr¾

ng

Tr¾

ng

§e

n

Tr¾ngTr¾ng §e

n

§en

Vïng 1

Vïng ®en

Vïng 2

Vïng

x¸m

Vïng 3

Vïng

tr¾ng

Vïng 2

Vïng

x¸m

Vïng 3

Vïng

tr¾ng

§­êng biªn

gi÷a mµu

®en vµ

mµu tr¾ng

§­êng biªn

gi÷a mµu

®en vµ

mµu tr¾ng

Hình 2. Phân vùng làm việc của cảm biến

Dựa vào việc phân vùng trên và tín hiệu lấy về từ cảm

biến là dạng tín hiệu tương tự. Tín hiệu này chuyển

thành tín hiệu số sử dụng một bộ chuyển đổi tương tự

số ADC. Nếu cảm biến di chuyển từ chính tâm đường

ra đến vùng trắng, thì tín hiệu số sẽ thay đổi giá trị từ

nmin đến nmax. Chúng ta tiến hành mờ hóa dải thông tin

này thành 03 biến ngôn ngữ là DEN, XAM và

TRANG tương ứng với các vùng đen, xám và trắng.

Hàm liên thuộc và miền xác định của các biến ngôn

ngữ được xác định như sau:

+ Biến ngôn ngữ DEN:

- Hàm liên thuộc: hàm trái.

- Miền xác định: nmin và a.

+ Biến ngôn ngữ XAM:

- Hàm liên thuộc: hàm tam giác cân.

- Miền xác định: b, c và d.

+ Biến ngôn ngữ TRANG:

- Hàm liên thuộc: hàm phải

- Miền xác định: e và nmax

Trên hình 2 mô tả các hàm liên thuộc và miền xác

định của tín hiệu vào ở dạng tổng quát trên. Do tính

đối xứng của hệ thống nên việc mờ hóa cho đầu vào

thứ hai của hệ cũng giống hệt như đầu vào thứ nhất.

Chúng ta chỉ qui ước các tín hiệu đầu và là đầu vào

cảm biến trái (SST) và đầu vào từ cảm biến phải

(SSP).

DEN TRANGXAM1

KC

μ(KC)

b a c e d nmax

nmax

Hình 3. Các hàm liên thuôc đầu vào.

Bước 2: Mờ hóa thông tin đầu ra

Việc mờ hóa thông tin đầu ra trong bài báo này các

tác giả dựa theo cách tiếp cận mô hình Sugeno bậc 0,

nghĩa là các thông tin mờ hóa đầu ra là những giá trị

tiền định.

Xét đặc thù di động của loại robot là chỉ tiến, cũng

như dựa trên những phân tích trên, chúng ta chỉ tập

trung vào những giá trị mờ đầu ra như sau:

- Chuyển động thẳng (DT)

- Hơi rẽ sang trái (HST)

- Rẽ mạnh sang trái (MST)

- Hơi rẽ sang phải (HSP)

- Rẽ mạnh sang phải (MSP)

Bước 3: Suy luận mờ

Từ việc mờ hóa các đầu vào ra, chúng ta có các luật

IF .. THEN sau:

- Luật 1: IF (SST=TRANG) AND (SSP=TRANG)

THEN robot = DT

- Luật 2: IF (SST=XAM) AND (SSP=TRANG)

THEN robot = HST

- Luật 3: IF (SST=DEN) AND (SSP=TRANG) THEN

robot = MST

-Luật 4: IF (SSP=XAM) AND (SST=TRANG) THEN

robot = HSP

- Luật 5: IF (SSP=DEN) AND (SST=TRANG) THEN

robot= MSP

Trong Bảng 1 biểu diễn luật hợp thành mờ cho robot

bám đường ở dạng bảng.

Mờ hóa

Luật điều

Khiển

Giải mờ Động cơ trái

Động cơ phải

sensor trái

sensor phải

Bộ điều khiển mờ

Thiết bị

hợp thành

Bộ điều

khiển

động cơ

246

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Bảng 1. Luật hợp thành của bộ điều khiển mờ

SST

SSP

TRANG XAM DEN

TRANG DT HST MST

XAM HSP X X

DEN MSP X X

- Đi thẳng (DT): tín hiệu điều khiển sao cho hai động

cơ trái và phải quay cùng tốc độ và ngược chiều nhau.

- Hơi sang trái (HST): khi cả động cơ bên trái và bên

phải cùng quay cùng chiều kim đồng hồ với tốc độ

thấp hoặc hai động cơ quay ngược chiều nhưng động

cơ bên phải quay nhanh hơn một chút.

- Rẽ mạnh sang trái (MST): khi cả động cơ bên trái và

bên phải cùng quay cùng chiều kim đồng hồ với tốc

độ cao hoặc hai động cơ quay ngược chiều nhưng

động cơ bên phải quay nhanh hơn nhiều.

- Hơi sang phải (HSP): khi cả động cơ bên trái và bên

phải cùng quay ngược chiều kim đồng hồ với tốc độ

thấp hoặc hai động cơ quay ngược chiều nhưng động

cơ bên trái quay nhanh hơn một chút.

- Rẽ mạnh sang phải (MSP): khi cả động cơ bên trái

và bên phải cùng quay ngược chiều kim đồng hồ với

tốc độ cao hoặc hai động cơ quay ngược chiều nhưng

động cơ bên trái quay nhanh hơn nhiều.

Bước 4: Giải mờ

Trong bài toán này chọn phương pháp giải mờ là

phương pháp cực đại [2].

3. Kết quả thực nghiệm Thiết kế hệ thống điều khiển

Trong phần này trình bày thực hóa mô hình robot và

xây dựng bộ điều khiển trên cơ sở họ vi điều khiển

AVR Atmega 16 của hãng Atmel. Sơ đồ khối của hệ

thống điều khiển được trình bày trên hình 3

Khèi c¶m

biÕn

Khèi xö lý

trung t©m

Khèi c«ng

suÊt ®iÒu

khiÓn ®éng

c¬

Khèi ®éng c¬

Hình 3. Sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển

robot bám đường

+ Khối cảm biến: Chuyển đổi tín hiệu quang thành tín

hiệu điện, ở đây ta sử dụng 2 bộ cảm biến quang với

nguồn phát là ánh sáng hồng ngoại, phần thu là

photodiode (hình 4).

Hình 4. Mạch cảm biến

+ Khối xử lý trung tâm: Đây là vi điều khiển

Atmelga16, cho phép nhúng các thuật toán điều khiển

mờ cho robot. Thuật toán mờ thực hiện cho vi điều

khiển được viết bằng ngôn ngữ C sử dụng phần mềm

CodeVisionAVR [1,3] (hình 4).

Hình 4. Khối xử lý trung tâm

+ Khối công suất điều khiển động cơ: Đây là khối

nhận tín hiệu ra từ vi điều khiển để điều khiển tốc độ

và đảo chiều động cơ (hình 5).

Hình 5. Khối công suất

+ Khối động cơ: Ta sử dụng 2 động cơ DC 24V có

hộp số tích hợp với tỉ số truyền là 15 và tốc độ đầu ra

là 200 vòng/phút.

3.2. Xây dựng mô hình robot

Mô hình cơ khí robot được thiết kế với 2 bánh chủ

động được gắn với 2 động cơ thông qua hộp số có tỉ

số truyền là 15 và một bánh trước là bánh tự do. Kết

cấu cơ khí của mô hình robot được thể hiện trên các

hình 6, 7, 8, 9 và 10.

247

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Hình 6. Robot được nhìn từ dưới lên

Hình 7. Robot được nhìn từ phía trước

Hình 8. Robot được nhìn từ bên phải

Hình 9. Mô hình 3D của robot

Hình 10. Mô hình thật của robot

3.3. Thuật toán điều khiển

Thuật toán điều khiển sự di chuyển của robot bám

được thực hiện như sau:

Bước 1: Đọc các thông tin từ cảm biến trái và phải

thông qua 02 bộ chuyển đổi ADC.

Bước 2: Tính toán các giá trị ngôn ngữ dựa trên các

hàm thuộc cho các cảm biến trái phải.

Bước 3: Thực hiện các luật logic mờ

Bước 4: Tính toán các giả trị rõ từ kết quả của bước 4

Bước 5: Điều khiển động cơ dựa theo các kết quả giải

mờ

Bước 6: Nhảy về bước 1.

3.4. Các kết quả thực nghiệm

Khối điều khiển trung tâm là vi điều khiển Atmega

16, vi điều khiển này có sẵn bên trong các bộ chuyển

đổi ADC 10 bít. Thực nghiệm với các cảm biến chỉ ra

rằng khi dạng bề mặt bên dưới cảm biến thay đổi, đầu

đọc cảm biến thay đổi giữa nmin =200 và nmax=800, và

các giá trị cho các vùng như sau :

-Vùng đen: 200÷400

-Vùng xám: 300 ÷ 700

-Vùng trắng: 600 ÷ 800.

Nên hình 3 mô tả hàm liên thuộc của tín hiệu đầu vào

sẽ được minh họa lại cho trường hợp cụ thể này như

sau :

DEN TRANGXAM1

KC

μ(KC)

300 400 500 600 700 800200

Hình 11. Các hàm thuộc cho đầu của bộ điều khiển

mờ robot bám đường.

Dựa trên thuật toán trên toàn bộ chương trình điều

khiển mờ được viết bằng ngôn ngữ C cho chíp

Atmega và nạp xuống bo mạch. Các kết quả thực

248

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

nghiệm cho robot chạy theo những quĩ đạo khác nhau

như hình oval (hình 12), hình số tám (hình 13) và

đường cong (hình 14) đều bám đường chính xác theo

cả hai chiều.

Hình 12. Quĩ đạo Oval

Hình 13. Quĩ đạo hình số tám.

Hình 14. Quĩ đạo đường cong.

4. Kết luận Bài báo này đã trình bày các bước xây dựng luật điều

khiển mờ và thực hiện nó trên chíp vi điều khiển

Atmega 16 cho robot bám đường. Xây dựng mô hình

robot và tiến hành thực nghiệm với bộ điều khiển mờ.

Các kết quả đạt được đảm bảo khả năng bám đường

chính xác. Với bộ điều khiển mờ cho phép chúng ta

sử dụng cảm biến dò đường đơn giản, việc thực hiện

luật điều khiển cũng đơn giản hơn so với luật điều

khiển PID vì nó không phải quan tâm đến mô hình

toán đối tượng điều khiển cũng như lựa chọn các hệ

số khuếch đại cho bộ điều khiển.

Tuy nhiên các kết quả đạt được vẫn còn những hạn

chế như tốc độ di chuyển của robot chưa thực cao do

khâu xử lý cảm biến còn chưa thật chọn vẹn. Nhưng

nó cho phép chúng ta có thể ứng dụng nhiều hơn nữa

lý thuyết logic mờ vào trong các bài toán điều khiển

nói chung và điều khiển robot nói riêng.

Tài liệu tham khảo [1] Dhananjay V. Gadre, Programming and

Customizing the AVR Microcontroller,

McGraw-Hill, 2000

[2] Kevin M. Passino, Stephen Yurkovich (1998),

Fuzzy Control, Addison Wesley Longman. Inc

[3] Pavel Hai Duc, HP InfoTech s.r.l (1998-2006),

CodeVisionAVR C Complier Help.

Hoàng Quang Chính sinh

năm 1974. Tốt nghiệp đại học

năm 1996 ngành điện - điện tử

tại Học viện Kỹ thuật Quân

sự, và nhận bằng Tiến sỹ Kỹ

thuật Điều khiển tại Trường

Đại Học Kỹ thuật Tổng hợp

Quốc gia Matxcơva, CHLB

Nga năm 2006.

Tiến sỹ Hoàng Quang Chính

tham gia giảng dạy tại Học viện Kỹ thuật Quân sự từ

năm 1996 đến nay. Hiện anh đang là Giảng Viên

thuộc Bộ môn Robot đặc biệt và Cơ điện tử, Khoa

Hàng không Vũ trụ.

Nguyễn Thành Sơn sinh năm

1974. Tốt nghiệp đại học năm

1996 ngành điện - điện tử, và

nhận bằng Thạc sỹ Kỹ thuật

Điều khiển tại năm 2003 tại

Học viện Kỹ thuật Quân sự.

Thạc sỹ Nguyễn Thành Sơn

hiện nay là Phó trưởng phòng

Đo lường – Thí nghiệm, Viện

Kỹ thuật Cơ giới Quân sự - Tổng Cục Kỹ thuật.

Nguyễn Công Khoa nhận

bằng Kỹ sư Điện - tự động hóa

tại Trường Đại Học Kỹ Thuật

Công Nghiệp - Đại Học Thái

Nguyên. Hiện nay đang theo

học Thạc sỹ ngành Cơ điện tử

tại Học viện Kỹ thuật Quân

sự.

Kỹ sư Nguyễn Công Khoa

tham gia giảng dạy tại Trường

Đại Học Công Nghệ Thông Tin Và Truyền Thông -

Đại Học Thái Nguyên từ năm 2009 đến nay. Hiện anh

đang là Giảng Viên thuộc Bộ môn Robot và điều

khiển tự động, Khoa Công Nghệ Tự Động Hóa.

Nguyễn Đức Lành là sinh viên hệ Dân sự Học viện

Kỹ thuật Quân sự. Nhận bằng kỹ sư năm 2011 ngành

Cơ điện tử tại Học viện Kỹ thuật Quân sự.

249